基于物联网技术的实验室管理信息系统

[摘 要]高校实验教学的发展推动了实验室管理系统的逐步信息化，实验室管理的信息化也加速了高校实验教学的普及并提升了教学质量。当前物联网的理念逐步发展，并已经形成产业和研究潮流，本文给出了一种利用物联网技术提升实验室管理信息化的方案，提升了实验室管理的信息化与科学化。

[关键词]实验室；信息管理系统；物联网

中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0213-01

实验教学是高校教学中的重要环节，随着计算机的普及和多领域的应用，高校对实验室计算机等资源的大量增置，实验室拥有的更大的规模和更多的软、硬件。为了适应高校的发展和教学要求，应该加强实验室的信息化建设与管理，从而减少过多的维护和管理成本[1]。

一、背景与概念

实验室管理系统（Laboratory Information Management System，LIMS）是指通过计算机技术、信息技术和网络技术对实验室的各种资源和信息进行科学化管理的一种计算机软、硬件系统[2]。随着网络技术的发展，实验室管理信息系统已经从最初针对单个用户设计的简单的终端/主机结构以及客户机/服务器结构逐步发展到现在的基于统一浏览器界和以WEB 服务器为中心的分布式管理系统[3]。

物联网则是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段（Internet of things IOT）[4]。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮[5]。

本文提出一种利用物联网技术提升实验室信息管理的智能性与科学化的方法，基于现有管理系统进行增加接口和部分硬件，实现了实验室软件和硬件物与物相连并进行统筹管理。

二、系统框架

利用J2EE技术的实验室管理系统能够有效继承传统的实验室管理技术[2]，同时基于 B/S 模式开发，能够支撑和具备强大的功能性、可扩展性以及维护性，可以更好地解决实验室存在的各种矛盾和问题。通过结合计算机硬件技术、计算机软件技术、计算机网络技术、数据库技术和相应的高校管理体系，相应的信息系统能够更加科学和智能化。

SSH（Struts2、Spring、Hibernate）的框架[6]实现了前端视图、中间层控制器与后端模型的彻底分离，而且也实现了业务逻辑层与持久层的分离，通过这样的方式实现系统，使得不同模型不同层次之间的耦合度较低，模块内部之间内聚性较高，即使前端应用发生了变化，模型也只需要较小的改动就能够适应新的需求，同时数据库的变化也只是在后台操作，不会对前端的应用产生影响，大大提高程序的可复用性以及程序的开发效率。

引入物联网系统的实验室管理系统应能继承原有系统，同时支持与物联网设备（传感器等）进行交互。

三、系统设计

当前互联网的逐步发展，采用B/S架构会更加通用，能够支持所有操作系统PC访问，同时也能够支持简单的移动终端进行交互。

系统包括应用服务器、传感器网关、传感器节点等组成。主要系统设计图如图1所示：

其中GW为传感器网关，其网络框架图如图2所示。节点分为具有路由功能的节点（Router）、没有路由功能的节点（End Device）和汇聚节点（Sink），每个节点都可搭载多个传感器或控制器或者。不搭载传感器或去控制器。传感器和控制器之间存在N：N的绑定关系。每个Zigbee网络中只有一个汇聚节点，Zigbee网络之间并不通讯。网关设备（Gateway）是连接汇聚节点和服务器的设备，一个网关设备可以同时管理多个Sink节点，服务器可管理多个网关设备。

网关与应用服务器之间通信报文定义如下：

每条消息都由上述四个部分组成，其中消息头、地址域和消息校验字节为固定长度，消息体根据承载的不同数据，长度可变。

四、系统实现

根据系统框架与设计，完成数据的采集与展示，同时根据专家算法对实验室当前的状态进行评估给出建议决策。

其中可以通过RFID、温湿度、人体感应一系列传感器，从而如图4所示自动收集实验室信息和对应数据，从而形成实验室数据仓库，通过提供算法接口，邀请专家增加算法的形式，定期对数据进行分析，从而形成阶段性评估。

普通的实验室硬件和软件亦可通过二维码和人工录入等形式对硬件进行一一标识，如图5所示针对硬件问题和硬件使用申请通过模板提交对应的处理即可完成。

五、 结语

物联网化的实验室管理信息系统能够更好将实验室的物理硬件和重要软件进行合理划分与调度，从而实现科学管理。同时通过传感器的数据采集，能够对实验室的环境进行管理，从而使得实验室的利用更加科学化，有效提升实验教学的质量。

参考文献

[1] 邓天虎，严京滨.优化管理策略在实验课预约管理系统中的应用探讨[J] . 实验室研究与探索，2006，26（2）：5 -7

[2] 肖利梅，李策，袁桂慈等.电工电子开放式实验管理系统[J].实验技术与管理 ，2007，24（9）：76C77

[3] 刘民，李昕钟，钟伟和.高校开放实验室信息管理系统[J].辽宁工学院学报，2006，26 （1）：17～19

[4] 孙慧清.物联网的发展和前景探索[J].电脑编程技巧与维护，2011，（24）.

[5] 张应福.物联网应用的问题分析及引入原则[J].通信与信息技术，2010，（3）.

[6] 章其康.MVC模式在 Web 应用中的研究与实现[J].网络安全技术与应用，2007，（7）：84～86.